化学的发展与成就

化学的发展与成就

世界上的万物都是在变化和发展之中，而物质的变化可以分为两类: 一类是物理变化，它不产生新的物质，只是改变了物质的状态，如水结冰成为固体，蒸发成为蒸汽；岩石和金属的融化等。另一类为化学变化，它伴随有新的物质生成，一些物质转化成为性质不同的另一些物质，如煤燃烧，产生热量和放出二氧化碳气体，金属锈蚀生成氧化物等。因此人类了解和学习化学是十分必要的。化学是一门在原子和分子水平研究物质的组成、结构和性能以及其变化规律的科学。

化学是从早期的练金术和化学工艺脱胎出来的，而作为一门科学是从17世纪英国科学家波义耳（Robert Boyle,1627～1691）提出化学元素概念开始的，随后，法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoiser,1743～1794）提出了燃烧氧化理论；19世纪初道尔顿（John Dalton,1766～1844）原子论的创立和阿佛加德罗分子学说的提出，标志着近代化学发展到了一个新的时期；19世纪中叶，俄国化学家门捷列夫（Д.ΝΜеиделеев,1834～1907）提出的化学元素周期表,提示了元素的性质和原子量的关系,直到19世纪末形成了系统的化学科学理论体系.19世纪末X射线、放射线和电子等物理学的三大发现及20世纪初原子结构的确定，使化学进入现代时期。随着基础理论研究的发展以及实验技术的不断提高，现代化学科学已呈现出由宏观到微观、由定性到定量、由静态研究到动态研究、由单一学科向综合学科和边沿学科发展的趋势。

20世纪以来，化学科学在理论和实践都得到了迅速发展，使其与国民经济和人们的日常生活有极为密切的联系。人们利用化学原理和方法，可从水、空气、矿石、树叶等天然原料中制造钢铁、化肥、人造纤维、药物等人们所熟悉的产品。从化学的角度认为，世界上没有一种可以称为废物的东西。从废水、废气、炉渣、木屑中也可以提炼十分珍贵的化学物质。现代化学正在帮助人类解决能源、农业、衣着、环境保护、医疗、居住、交通生产和生活方面的问题，人们预测化学的前景，认为21世纪将是化学的时代。

第一节化学的学科分类

随着化学理论的发展，根据所研究的物质，化学运动的具体对象和方法的不同，化学又可分为无机化学、有机化学、分析化学和物理化学。20世纪中期，随着科学研究领域的日益扩展以及学科之间的互相渗透，产生了一系列边缘学科和新兴学科，例如计算化学、固体化学、激光化学、地球化学、天体化学等。化学向生物学的渗透，产生了分子和量子生物学及仿生化学，使生物学发生了巨大变革。分子和量子生物学深入到生命科学的前沿，为全面解开生命的奥秘作出了贡献，仿生化学则为化学的发展开辟了新的途径。

随着化学在各方面的应用扩大，又陆续派生出了生物化学、环境化学、农业化学、石油化学、海洋化学、地质化学、核化学、药物化学、药物合成化学、材料化学等。化学学科依据本学科理论的积累和应用性能的增强，又逐渐形成了应用化学、高分子化学等分支。

1.1 无机化学

无机化学是研究无机物(单质、化合物及混合物)的组成、结构和性质及其变化规律的学科。无机化学的理论基础是由道尔顿的原子论、阿佛加德罗的分子学说及门捷列夫的元素周期律理论组成的。

1803年道尔顿提出了原子论，标志着近代化学发展进入了一个新时期。其基本观点是：

(1)化学元素是由非常微小的、不可再分的物质粒子——原子所组成。原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质。原子既不能创造，又不能消灭。

(2)元素的所有原子的性质，特别是质量都完全相同，不同的原子质量不同，原子的质量是每一种元素的特征性质。

(3)不同元素的原子以简单数目的比例相结合，可以形成化合物。化合物的原子称为“复杂原子”(现在我们叫分子)，复杂原子的质量为所含各种元素质量的总和。同种化合物的复杂原子其性质和质量也必然相同。

道尔顿原子论的建立是近代化学发展中的一次重要的理论结合，它统一解释了一些化学基本定律和化学实验事实，揭示了质量守恒定律、当量定律、定比定律和倍比定律的内在联系，抓住了原子量作为区分化学元素的最根本特征，为整个化学学科的研究奠定了基础，标志着人类对物质结构的认识前进了一大步，所以说道尔顿是近代化学之父。

道尔顿的原子论使当时的一些化学定律得到了合理的解释，但是它还残存着一些形而上学观点，特别是道尔顿到后来否认分子的存在，抹杀了原子和分子间的差别，致使它碰到了许多难以解决的矛盾。阿佛加德罗在新的科学事实和原子论的基础上，于1811年在法国《物理杂志》发表了一篇经典性的著名论文，论述了原子量和分子量的问题。他以盖·吕萨克的实验为基础，进行了合理的推论，引入了分子的概念。他认为单质的分子是由相同元素的原子组成，化合物分子则由不同元素的原子构成。分子是组成具有一定特性的物质的最小单位。在同温同压下同体积的气体，无论是单质还是化合物都含有同样数目的分子。

阿佛加德罗的分子假说在当时并没有被化学界和物理学界所重视和承认，被冷落了约半个世纪。直到1860年9月在德国卡尔斯鲁希召开的一次国际会议上，意大利化学家康尼查罗散发了他的论证分子学说《化学哲学教程提要》的单行本，他的据理分析、清晰和合乎逻辑的论证，使分子学说很快得到了化学界的认同。

在道尔顿提出原子论后，化学获得了惊人的发展，发现了很多种元素，积累了很多这些元素的物理和化学性质的研究资料，然而这些材料很杂乱，缺乏系统性。科学和生产的发展向化学家提出了整理和概括这些感性材料，并上升为理论的要求。俄国化学家门捷列夫在考察了前人工作的基础上，抓住原子量这个元素的基本性质，研究了原子量与元素性质之间的相互关系，于1871年提出了较完善的化学元素周期表。他明确指出：元素的性质和它们所形成的化合物的性质与元素的原子量有周期性的依赖关系，元素的性质是元素原子量的周期函数。门捷列夫按照元素周期律大胆地修正了某些元素的原子量，并为未知元素留下了空位。他认为，元素在周期表中的位置应当

体现出元素特性的总和以及该元素同其它元素的联系。根据未知元素在周期表中的位置及其上下左右元素的性质，门捷列夫还预言了它们的物理和化学性质。

元素周期律的发现，把原来认为是彼此孤立的各种元素的大量知识综合起来，形成了有内在联系的统一的体系，使人们可以有计划、有目的的去发现新元素。元素周期律总结归纳了元素的性质随原子量的增加而周期性变化的规律，从而为研究元素及其性质提供了重要的理论依据。元素周期律的建立，奠定了现代无机化学的基础，促进了化学科学的发展。

现代无机化学的新发展主要体现在研究领域的日益扩大及一些新的边缘学科、如现代无机合成化学、配位化学、原子簇化学、稀土化学、生物无机化学和无机固体化学等的形成和发展。

1.2 有机化学

有机化学是研究有机化合物（碳氢化合物及其衍生物）的组成、结构、性质及其变化规律的学科。

“有机化合物”和“有机化学”这些名词是历史名称的延用，“有机”的含义是有生机的意思，是与生命联系的。在元素周期律发现和完善之后，即无机化学的发展期间，有机化学却被生命力论（Vitalism）统治着。生命力论认为有机物质只能靠生命力在动植物有机体内产生，而不能在实验室或工厂里由无机物质合成。直到19世纪初化学家仍然把有机化合物和无机化合物看成截然不同的两类化合物。1828年,维勒发现蒸发氰酸铵溶液可以很容易得到尿素，氰酸铵是无机化合物，可以由硫酸铵制取，而尿素则是有机化合物，说明有机化合物与无机化合物并无截然不同界限，用无机化合物在实验室可以制取有机化合物。有机化学发展成为一门独立、系统的科学是在有机化学的经典结构理论建立以后完成的。显然，从无机化学飞跃到有机化学这一重要进步，它标志着人类从单纯利用和加工现成的天然物转向合成自然界已有的或没有的各种各样的有机化合物，从而在化学方面为人类开辟了“人工自然”这个无限广阔的新领域。今天，人类利用已有的化学知识，不仅可以从自然界得到有机化合物，而且还可以通过化学合成的途径得到各种各样的有机物。

有机化学的理论基础主要包括1852年弗兰克提出的原子价概念；1857年凯库勒和库帕分别、独立地提出碳原子四价的概念和碳碳可以相互结合成链的学说；1861年希特列洛夫提出的化学结构的系统概念；1874年范霍夫和勒贝尔同时分别提出的组成有机化合物分子的碳原子的四面体构型学说；1885年拜尔提出的环状化合物的张力学说等。

20世纪的有机化学，从实验方法到基础理论都有了巨大的进展，显示出蓬勃发展的强劲势头和活力。世界上每年合成的近百万个新化合物中约70％以上是有机化合物。其中有些因其所具有的特殊功能而用于材料、能源、医药、生命科学、农业、营养、石油化工、交通、环境科学等与人类生活密切相关的各行各业中，直接或间接地为人类提供大量的必需品。